Premio Fronteras del Conocimiento a Sangiovanni Vincentelli por hacer posibles los actuales dispositivos electrónicos

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El Premio Fundación BBVA Fronteras del Conocimiento en Tecnologías de la Información y la Comunicación ha sido concedido en su 15ª edición a Alberto Sangiovanni Vincentelli (Universidad de California en Berkeley), por “transformar radicalmente” el diseño de los chips en los que se basa el funcionamiento de todos los dispositivos electrónicos actuales, impulsando así “la industria moderna de los semiconductores”, según el acta del jurado.

“Al proporcionar herramientas de software para facilitar la creación de chips complejos, posibilitó una explosión mundial de diseño de circuitos integrados, abarcando la investigación, la industria y el mundo académico”, continúa el jurado.

Sangiovanni Vincentelli (Milán, Italia, 1947) "creó un rico ecosistema de técnicas de automatización del diseño electrónico que revolucionaron la forma en que se construyen los sistemas informáticos, técnicas que siguen siendo fundamentales hoy”, destaca el acta.

Además de realizar contribuciones científicas trascendentales que han dado lugar a líneas enteras de investigación, este catedrático de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación en Berkeley cofundó dos empresas  (Cadence y Synopsys) que “impulsan en conjunto toda la industria de los semiconductores”, según se lee. 

Su candidatura al Premio Fronteras del Conocimiento recibió 28 nominaciones, tanto institucionales como individuales, entre ellas las de Barry Barish, Premio Nobel de Física (2017), y Joseph Sifakis, Premio Turing (2007).

Acelerar las simulaciones

El galardonado ha transformado el diseño de chips gracias a tres aportaciones fundamentales. En primer lugar, propuso un método para acelerar las simulaciones de circuitos electrónicos, que resultó esencial para convertirlas en una herramienta realmente útil. Desarrolló también un sistema para generar circuitos automáticamente a partir de lenguajes de descripción de hardware. Por último, creó un programa para distribuir los múltiples componentes de un circuito de manera que se maximizara el rendimiento y se minimizara el consumo energético.

Ronald Ho, director sénior de Ingeniería del Silicio de Meta y secretario del jurado, define a Sangiovanni como “el facilitador de la industria de los chips, ya que sus contribuciones científicas han transformado el mundo de la electrónica”, sobre la que descansan todos los dispositivos y sistemas tecnológicos presentes en nuestra vida cotidiana, desde los ordenadores personales y los teléfonos móviles hasta los microprocesadores instalados en automóviles, aviones y electrodomésticos.

Así lo explica Ho: “En los inicios de la industria informática, los chips de silicio eran relativamente sencillos, ya que contenían pocos transistores y podían ser diseñados manualmente. Hoy, en un smartphone moderno, los chips contienen miles de millones de transistores, así que ¿cómo fue posible que pasáramos de fabricar chips a mano, con unos pocos miles de transistores, a los complejos chips actuales? La respuesta es que lo logramos gracias al trabajo del galardonado”.

Por su parte, Jordi Cortadella, catedrático de Ciencias de la Computación de la Universitat Politècnica de Catalunya, advierte que “hay que tener en cuenta que los chips de los dispositivos electrónicos actuales contienen miles de millones de transistores de dimensiones nanométricas [un nanómetro equivale a la mil millonésima parte de un metro] y, por tanto, es imposible diseñarlos  manualmente". De ahí la relevancia de las herramientas impulsadas por Sangiovanni, que permitieron diseñar automáticamente los circuitos y hacer que la producción de chips creciera exponencialmente a escala mundial.

Una carrera que empieza en Milán

Tras terminar la carrera de ingeniería eléctrica en el Politécnico de Milán, en 1971, Sangiovanni Vincentelli comenzó a trabajar como investigador en esa misma universidad. Poco después, en 1975, se mudó a Berkeley y orientó su investigación hacia aspectos teóricos de la electrónica como el diseño de algoritmos de análisis numérico. Sus colegas le animaron a estudiar si sus algoritmos podían tener aplicación en el diseño de circuitos.

Un chip es una oblea de silicio sobre la que se dispone un gran número de transistores y otros componentes electrónicos en miniatura formando un circuito. Estos circuitos electrónicos son los que realizan los complejos cálculos de nuestros ordenadores, muestran el canal de televisión que pulsamos en el mando a distancia o encienden una luz de alerta cuando la presión de las ruedas del coche está baja.

Para realizar cada una de estas funciones en los dispositivos electrónicos que utilizamos todos los días, se necesita un conjunto específico de transistores conectados de la manera adecuada. Cuando Sangiovanni comenzó su carrera investigadora, este proceso se realizaba a mano, eligiendo cada componente y conectándolo con otro hasta formar el circuito deseado, para luego comprobar que efectivamente realizaban la función prevista.

El proceso era laborioso y “muy, muy aburrido”, recuerda el premiado, así como sujeto a errores en cada paso del diseño. Era “un proceso más artesanal que científico”.

“Todos estamos familiarizados con la miniaturización histórica de las características de los chips expresada en la ley de Moore, pero el aumento resultante en la densidad de los circuitos condujo rápidamente a diseños de chips en crecimiento descontrolado, tan complejos como una gran ciudad, e igual de imposibles de diseñar manualmente”, expone el acta del jurado.

Ya entonces existía un programa informático, denominado SPICE, pero para  los circuitos más elaborados, el programa tardaba tanto en llegar a una solución que su utilidad práctica era sumamente limitada.

Sangiovanni Vincentelli se dio cuenta de que sus conocimientos de análisis numérico podían ser de ayuda para acelerar esta simulación, y diseñó un nuevo conjunto de algoritmos que, según explica, “cambiaban la manera de ver la solución de estas ecuaciones”.

Gracias a estos algoritmos se pudieron simular circuitos complejos en tiempos razonables, permitiendo verificar que un circuito funcionaba correctamente en cuestión de segundos. El avance supuso, además, un gran ahorro económico, al permitir comprobar la funcionalidad del circuito antes de que fuese  fabricado físicamente”.

Cortadella aclara que “el hardware no es como el software, que te permite revisar el programa cuando has cometido un error y entregar una nueva versión corregida". En el caso del hardware, "cuesta millones de dólares diseñar un chip", por lo que si alguien se equivoca en un solo transistor, ya no funciona. “Por ello, tienes que garantizar que cuando se fabrica, va a funcionar y esto es lo que permiten las herramientas de simulación creadas por Sangiovanni Vincentelli”, añade.

Comandos sencillos de programación

El premiado también simplificó en gran medida la creación de los propios circuitos. Para implementar una operación tan básica como la suma de dos números, un circuito puede requerir millones de componentes, y elegir cuáles son y cómo disponerlos es una tarea compleja. 

Cuando Sangiovanni comenzó su andadura en la electrónica, existían personas especializadas en elegir todos los componentes y formar un circuito que realizara una tarea dada, algo que él mismo estaba dispuesto a mejorar, empleando sus conocimientos matemáticos.

Así, su segunda contribución destacada fue inventar un programa capaz de generar circuitos a partir de comandos sencillos de programación. Además, el diseñador desarrolló maneras de verificar automáticamente la correspondencia entre la función del circuito formulada por el código del programa y los componentes generados para diseñar el chip. Sin esta comprobación, los circuitos resultantes podrían dar lugar a errores que quedaran ocultos entre tal profusión de componentes.

Por último, Sangiovanni reparó en que la disposición geométrica de todos estos componentes podía ser clave para que el circuito tuviera un mayor rendimiento o un consumo energético menor. Por eso automatizó también esta parte del diseño de circuitos.

Con estas tres aportaciones, el galardonado posibilitó “el diseño de circuitos muy complejos sin apenas intervención humana”, como él mismo destaca, permitiendo a las personas centrarse en los aspectos creativos del diseño sin tener que preocuparse por los detalles más tediosos y susceptibles de errores fatales.

Referente en la industria electrónica

Sangiovanni Vincentelli no solo ha sido, en palabras del jurado, un “prolífico inventor” y un “extraordinario mentor” que ha creado escuela mundial desde Berkeley, sino que además su legado ha traspasado las fronteras de la universidad y se ha asentado como referente mundial también en la industria.

Las herramientas que desarrolló el galardonado llamaron la atención de muchas empresas ya desde la década de 1980, que comenzaron a utilizarlas puesto que estaban a libre disposición de cualquier persona interesada. Fueron estas mismas compañías quienes insistieron en que Sangiovanni Vincentelli debía integrarse en el tejido empresarial para comercializar sus soluciones de diseño de circuitos.

En 1983, pues, nació la empresa Cadence y, en 1987, Synopsys. Ambas comenzaron con equipos de solo tres personas, pero hoy son multinacionales con oficinas distribuidas por todo el mundo en las que trabajan más de 10.000 personas. 

Hoy en día, ambas empresas son fundamentales en la industria del silicio, y desde Apple hasta Intel, Tesla o Boeing emplean la tecnología diseñada por ellas. 

Sin embargo, Sangiovanni Vincentelli siempre ha tenido muy claro que su conocimiento debía estar disponible para cualquier persona que lo quisiera utilizar y desarrollar, primando el avance del conocimiento sobre los intereses económicos. “Somos una universidad, nuestra misión es enseñar pero también hacer que la ciencia avance. Y ¿cómo puedes hacer que avance la ciencia si no dejas que la gente utilice tu trabajo?”, plantea.

Por ello, las herramientas que él desarrolló son de libre acceso. El éxito de sus empresas se basa en ofrecer soluciones fundamentadas en la investigación universitaria, pero orientadas específicamente a las necesidades de sus clientes.

Mirando al futuro, el premiado destaca un área que, en su opinión, se beneficiará especialmente de la automatización del diseño: la biología. Su aspiración es diseñar fármacos eficaces minimizando los efectos secundarios e incluso crear formas de vida sintética capaces de realizar funciones específicas que ayuden en el tratamiento de enfermedades. “Ahora, todo esto es posible”, asegura.